У какого атома сильнее выражены металлические свойства строение энергетических уровней

В предыдущих частях мы, во-первых, ввели понятие атомного радиуса, к которому не раз сегодня обратимся. Во-вторых, ввели понятие о металлических и неметаллических свойствах. И, в-третьих, научились отличать металлы от неметаллов по таблице Менделеева.

Сегодня поговорим о том, какие закономерности можно выделить в рамках таблицы Менделеева благодаря всем вышеперечисленным знаниям.

Обо всём по порядку

Напомню:

Атомный радиус – условная величина, характеризующая удалённость электронов на внешнем энергетическом уровне от ядра атома.

Условное изображение атомного радиуса атома не примере атома углерода

Металлические свойства – способность атомов химических элементов отдавать электроны

Неметаллические свойства – способность атомов химических элементов эти электроны принимать.

Выделять закономерности в пределах таблицы Менделеева мы будем в двух направлениях:

В пределах подгруппы (сверху – вниз)

Сделаю акцент на том, что работать мы будем исключительно в пределах главных подгрупп

О том, почему атомный радиус в пределах подгруппы (сверху вниз) возрастает, мы говорили здесь.

А почему же в пределах подгруппы (сверху вниз) усиливаются металлические свойства?

Дело в том, что с в пределах подгруппы с увеличением атомного радиуса возрастает удалённость электронов на внешнем энергетическом уровне от ядра, а чем более электроны удалены от ядра, тем выше запас их свободной энергии, тем менее прочно они связаны с ядром (об этом здесь) – это значит, что тем проще эти электроны будет отдать! А металлические свойства как раз-таки характеризуют способность атомов химических элементов отдавать электроны.

Ещё раз. Чем больше электроны удалены от ядра, тем менее прочно они связаны с ядром, тем проще их оказывается отдать. Я думаю, Вы интуитивно чувствуете эту простую логику, согласно которой прочность связи обратно пропорциональна расстоянию.

Почему же в пределах подгруппы (сверху вниз) неметаллические свойства ослабевают?

Всё очень просто, неметаллические свойства – прямо противоположное понятие металлическим свойствам, и если одно усиливается, то другое ослабевает.

Как можно проследить данные закономерности? Посмотрим в таблицу Менделеева, а именно в главную подгруппу четвёртой группы.

Белый, зелёный – металлы, красный – неметаллы.

В пределах главной подгруппы четвёртой группы мы видим, как неметаллы углерод (C) и кремний (Si) в какой-то момент сменяет металл германий (Ge), и это неслучайно! Мы знаем, что металлические свойства в пределах подгруппы усиливаются, а неметаллические – ослабевают, и именно поэтому в какой-то момент при движении в пределах подгруппы сверху вниз металлические свойства усилились настолько, а неметаллические свойства ослабли настолько, что неметаллы в какой-то момент уступают место металлам.

И данную закономерность Вы можете пронаблюдать в пределах главной подгруппы любой группы!

Почему именно главные подгруппы? Дело в том, что классический вариант таблицы Менделеева, с которым мы чаще всего и работаем, в угоду компактности размещает элементы побочных подгрупп, которые, мы знаем, являются исключительно металлами, таким образом, что они, кажется, игнорируют рассматриваемые нами закономерности, то есть, попросту говоря оказываются исключениями. Ради интереса можете посмотреть на развёрнутый вариант таблицы.

В пределах периода (слева – направо)

Здесь попроще. здесь никаких подгрупп.

Итак, мы знаем, что в пределах периода (слева направо) атомный радиус убывает (об этом здесь). Так что же из этого вытекает?

А то, что металлические свойства будут убывать, а неметаллические – возрастать! Судите сами:

чем меньше атомный радиус, тем ближе электроны на внешнем энергетическом уровне оказываются к ядру, то есть тем более прочно эти электроны оказываются связаны с ядром и тем труднее их оказывается отдать, то есть тем менее выражены оказываются металлические свойства и более выражены неметаллические.

Мы легко можем проследить данную закономерность по таблице Менделеева, пользуясь тем же способом размышления, что и выше:

Белый, зелёный – металлы, красный – неметаллы.

В переделах любого периода (слева – направо) металлы закономерно начинают сменяться неметаллами, так как металлические свойства ослабевают, а неметаллические – возрастают.

Осталось сделать последний штрих – ввести понятие электроотрицательности.

Электроотрицательность – способность атомов химических элементов оттягивать на себя электронную плотность.

Электроотрицательность – понятие тождественное по смыслу неметаллическим свойствам и используется для характеристики неметаллических свойств атома. Оно даже изменяется в пределах таблицы Менделеева аналогичным образом! То есть, в пределах подгруппы (сверху вниз) убывает, а в пределах периода (слева – направо) возрастает.

Таблица электроотрицательности по Полингу

А на этом у меня всё. В следующий раз продолжим обозревать типы химической связи. Спасибо. Пока.

Источник

А) Характеристика фосфора.
1. Фосфор— элемент пятой группы и третьего периода, Z = 15,
Аr(Р) = 31.
Соответственно, атом фосфора содержит в ядре 15 протонов,
16 нейтронов и 15 электронов. Строение его электронной оболочки
можно отразить с помощью следующей схемы:

Атомы фосфора проявляют как окислительные свойства (принима-
ют недостающие для завершения внешнего уровня три электрона, получая при этом степень окисления -3, например, в соединениях с менее электроотрицательными элементами— металлами, водородом и т.п.) так и восстановительные свойства (отдают 3 или 5 электронов более электроотрицательным элементам — кислороду, галогенам и т.п., приобретая при этом степени окисления +3 и +5.)
Фосфор менее сильный окислитель, чем азот, но более сильный, чем мышьяк, что связано с ростом радиусов атомов от азота к мышьяку. По этой же причине восстановительные свойства, наоборот, усиливаются.
2.    Фосфор — простое вещество, типичный неметалл. Фосфору свойственно явление аллотропии. Например, существуют аллотропные модификации фосфора такие, как белый, красный и черный фосфор, которые обладают разными химическими и физическими свойствами.
3.     Неметаллические свойства фосфора выражены слабее, чем у азота, но сильнее, чем у мышьяка (соседние элементы в группе).
4.    Неметаллические свойства фосфора выражены сильнее, чем у
кремния, но слабее, чем у серы (соседние элементы в периоде).
5.    Высший оксид фосфора имеет формулу Р2O5. Это кислотный оксид.
Он проявляет все типичные свойства кислотных оксидов. Так, например, при взаимодействии его с водой получается фосфорная кислота.
Р2O5 + 3Н2O => 2Н3РO4.
При взаимодействии его с основными оксидами и основаниями он
дает соли.
Р2O5 + 3MgO = Mg3(PO4)2; Р2O5 + 6КОН = 2К3РO4+ 3Н2O.
6.    Высший гидроксид фосфора— фосфорная кислота Н3РO4, рас-
твор которой проявляет все типичные свойства кислот: взаимодействие с основаниями и основными оксидами:
Н3РO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3Н2O. 2Н3РO4 + 3СаО = Са,(РO4)2↓ + 3Н2O.
7. Фосфор образует летучее соединение Н3Р — фосфин.

Б) Характеристика калия.
1.     Калий имеет порядковый номер 19, Z = 19 и относительную атомную массу Аr(К) = 39. Соответственно заряд ядра его атома +19 (равен числу протонов). Следовательно, число нейтронов в ядре равно 20. Так как атом электронейтрален, то число электронов, содержащихся в атоме калия, тоже равно 19. Элемент калий находится в четвертом периоде периодической системы, значит, все электроны располагаются на четырех энергетических уровнях. Таким образом, строение атома калия записывается так:

Исходя из строения атома, можно предсказать степень окисления
калия в его соединениях. Так как в химических реакциях атом калия отдает один внешний электрон, проявляя восстановительные свойства, следовательно, он приобретает степень окисления +1.
Восстановительные свойства у калия выражены сильнее, чем у на-
трия, но слабее, чем у рубидия, что связано с ростом радиусов от Na к Rb.
2.     Калий— простое вещество, для него характерна металлическая
кристаллическая решетка и металлическая химическая связь, а отсюда — и все типичные для металлов свойства.
3.     Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у на-
трия, но слабее, чем у рубидия, т.к. атом калия легче отдает электрон, чем атом натрия, но труднее, чем атом рубидия.
4.     Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у кальция, т.к. один электрон атома калия легче оторвать, чем два электрона
атома кальция.
5.     Оксид калия К2O является основным оксидом и проявляет все типичные свойства основных оксидов. Взаимодействие с кислотами и кислотными оксидами.
К2O + 2НСl = 2КСl +Н2O;                К2O + SO3 = K2SO4.
6.     В качестве гидроксида калию соответствует основание (щелочь) КОН, которое проявляет все характерные свойства оснований: взаимодействие с кислотами и кислотными оксидами.
KOH+HNO3 = KNO3+H2O; 2KOH+N2O5 = 2KNO3+H2O.
7.     Летучего водородного соединения калий не образует, а образует гидрид калия КН.

Источник

3. Периодический закон и периодическая система химических элементов

3.3. Периодическое изменение свойств атомов элементов

Периодичность изменения свойств (характеристик) атомов химических элементов и их соединений обусловлена периодической повторяемостью через определенное число элементов строения валентных энергетических уровней и подуровней. Например, для атомов всех элементов VA-группы конфигурация валентных электронов ns
2np
3. Именно поэтому фосфор по химическим свойствам близок к азоту, мышьяку и висмуту (подобие свойств, однако, не означает их тождества!). Напомним, что периодичность изменения свойств (характеристик) означает их периодическое ослабление и усиление (или, напротив, периодическое усиление и ослабление) по мере роста заряда ядра атома.

Периодически по мере увеличения на единицу заряда ядра атома изменяются следующие свойства (характеристики) изолированных или химически связанных атомов: радиус; энергия ионизации; сродство к электрону; электроотрицательность; металлические и неметаллические свойства; окислительно-восстановительные свойства; высшая ковалентность и высшая степень окисления; электронная конфигурация.

Тенденции в изменении этих характеристик наиболее выражены в группах А и малых периодах.

Радиус атома r — это расстояние от центра ядра атома до внешнего электронного слоя.

Радиус атома в группах А возрастает сверху вниз, так как растет число электронных слоев. Радиус атома уменьшается при движении слева направо по периоду, поскольку число слоев остается тем же, однако заряд ядра возрастает, а это приводит к сжатию электронной оболочки (электроны сильнее притягиваются к ядру). Наименьший радиус у атома He, наибольший — у атома Fr.

Периодически изменяются радиусы не только электронейтральных атомов, но и одноатомных ионов. Основные тенденции в этом случае таковы:

радиус аниона больше, а радиус катиона меньше, чем радиус нейтрального атома, например r(Cl−) > r(Cl) > r(Cl+);
чем больше положительный заряд катиона данного атома, тем меньше его радиус, например r(Mn+4) < r(Mn+2);
если ионы или нейтральные атомы разных элементов имеют одинаковую электронную конфигурацию (а следовательно, одинаковое число электронных слоев), то радиус меньше у той частицы, заряд ядра которой больше, например
r(Kr) > r(Rb+), r(Sc3+) < r(Ca2+) < r(K+) < r(Cl−) < r(S2−);
в группах А сверху вниз радиус однотипных ионов возрастает, например r(K+) > r(Na+) > r(Li+), r(Br−) > r(Cl−) > r(F−).

Пример 3.1.
Расположите частицы Ar, S2−, Ca2+ и K+ в ряд по мере увеличения их радиусов.

Решение. На радиус частицы влияют в первую очередь число электронных слоев, а затем заряд ядра: чем больше число электронных слоев и меньше (!) заряд ядра, тем больше радиус частицы.

В перечисленных частицах число электронных слоев одинаковое (три), а заряд ядра уменьшается в следующем порядке: Ca, K, Ar, S. Следовательно, искомый ряд выглядит так:

r(Ca2+) < r(K+) < r(Ar) < r(S2−).

Ответ: Ca2+, K+, Ar, S2−.

Энергия ионизации E
и — это минимальная энергия, которую нужно затратить для отрыва от изолированного атома наиболее слабо связанного с ядром электрона:

Э + E
и = Э+ + e.

Энергию ионизации рассчитывают экспериментально и обычно она измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль) или электронвольтах (эВ) (1 эВ = 96,5 кДж).

В периодах слева направо энергия ионизации в целом возрастает. Это объясняется последовательным уменьшением радиуса атомов и увеличением заряда ядра. Оба фактора приводят к тому, что энергия связи электрона с ядром возрастает.

В группах А с ростом атомного номера элемента E
и, как правило, уменьшается, поскольку при этом растет радиус атома, а энергия связи электрона с ядром уменьшается. Особенно велика энергия ионизации атомов благородных газов, у которых внешние электронные слои завершены.

Энергия ионизации может служить мерой восстановительных свойств изолированного атома: чем она меньше, тем легче от атома оторвать электрон, тем сильнее у атома выражены восстановительные свойства. Иногда энергию ионизации считают мерой металлических свойств изолированного атома, понимая под ними способность атома отдавать электрон: чем меньше E
и, тем сильнее у атома выражены металлические свойства.

Таким образом, металлические и восстановительные свойства изолированных атомов усиливаются в группах А сверху вниз, а в периодах — справа налево.

Сродство к электрону E
ср — это изменение энергии в процессе присоединения электрона к нейтральному атому:

Э + e = Э− + E
ср.

Сродство к электрону — это также экспериментально измеряемая характеристика изолированного атома, которая может служить мерой его окислительных свойств: чем больше E
ср, тем сильнее выражены окислительные свойства атома. В целом по периоду слева направо сродство к электрону возрастает, а в группах А — сверху вниз уменьшается. Наибольшим сродством к электрону характеризуются атомы галогенов, для металлов сродство к электрону небольшое или даже отрицательное.

Иногда сродство к электрону считают критерием неметаллических свойств атома, понимая под ними способность атома принимать электрон: чем больше E
ср, тем сильнее у атома выражены неметаллические свойства.

Таким образом, неметаллические и окислительные свойства атомов в периодах в целом усиливаются слева направо, а в группах А — снизу вверх.

Пример 3.2.
Согласно положению в периодической системе укажите, у атома какого элемента наиболее выражены металлические свойства, если электронные конфигурации внешнего энергетического уровня атомов элементов (основное состояние):

1) 2s
1;

2) 3s
1;

3) 3s
23p
1;

4) 3s
2.

Решение. Указаны электронные конфигурации атомов Li, Na, Al и Mg. Поскольку металлические свойства атомов возрастают сверху вниз в группе А и справа налево по периоду, то приходим к выводу, что наиболее выраженными металлическими свойствами обладает атом натрия.

Ответ: 2).

Электроотрицательность χ — это условная величина, характеризующая способность атома в молекуле (т.е. химически связанного атома) притягивать к себе электроны.

В отличие от E
и и E
ср,электроотрицательность не определяется экспериментально, поэтому на практике используется ряд шкал значений χ.

В периодах 1–3 значение χ слева направо закономерно возрастает, причем в каждом периоде наиболее электроотрицательным элементом является галоген: среди всех элементов наибольшая электроотрицательность у атома фтора.

В группах А электроотрицательность сверху вниз уменьшается. Наименьшее значение χ характерно для атомов щелочных металлов.

Для атомов элементов неметаллов, как правило χ > 2 (исключения Si, At), а у атомов элементов металлов χ < 2.

Ряд, в котором χ атомов слева направо растет — щелочные и щелочноземельные металлы, металлы p- и d-семейства, Si, B, H, P, C, S, Br, Cl, N, O, F

Значения электроотрицательности атомов используются, например, для оценки степени полярности ковалентной связи.

Высшая ковалентность атомов по периоду изменяется от I до VII (иногда и до VIII), а высшая степень окисления изменяется слева направо по периоду от +1 до +7 (иногда до +8). Однако есть исключения:

фтор, как самый электроотрицательный элемент, в соединениях проявляет единственную степень окисления, равную −1;
высшая ковалентность атомов всех элементов 2-го периода равна IV;
для некоторых элементов (медь, серебро, золото) высшая степень окисления превышает номер группы;
высшая степень окисления атома кислорода меньше номера группы и равна +2.

Источник

И изменение свойств элементов

Пример 1. У какого из атомов, строение энергетических уровней которых: 1) …3s2 3p2; 2) …3s2 3p4; 3) …3s2 3p6; 4) …3s2, сильнее выражены неметаллические свойства?

Решение. Рассмотрим строение внешних энергетических уровней:

1) имеет 4 электрона;

2) имеет 6 электронов;

3) имеет 8 электронов – благородный газ;

4) имеет 2 электрона.

Неметаллические свойства проявляют атомы в том случае, когда на внешнем уровне содержится высокое число электронов (5, 6, 7), причем большая неметалличность у атома с большим числом электронов. Следовательно, у второго атома будут самые сильные неметаллические свойства.

Пример 2. Как изменяются свойства оксидов и гидроксидов в периодах и группах периодической системы?

Решение. Атомы элементов с положительной степенью окисления образуют оксиды и гидроксиды, которые могут проявлять основные кислотные и амфотерные свойства, закономерно изменяющиеся как внутри периода, так и внутри группы.

В периоде слева направо основные свойства оксидов и гидроксидов постепенно сменяются амфотерными и затем, к концу периода, кислотными. Каждый период начинается элементом, оксид и гидроксид которого обладает ярко выраженными основными свойствами, и заканчивается элементами, гидроксиды которых при максимальной степени окисления центрального атома являются сильными кислотами.

В каждой главной подгруппе всех групп, кроме VIII, сверху вниз усиливается основной характер оксидов и гидроксидов, а кислотные свойства ослабевают. В главных подгруппах II-VI групп содержатся также элементы, оксиды которых обладают амфотерными свойствами.

Если данный элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства последних меняются от основных через амфотерные к кислотным. Например, для оксидов хрома:

CrO	Cr2O3	CrO3
основной	Амфотерный	кислотный

Задания

41. Какие высшие степени окисления проявляют элементы третьего периода периодической системы: Na, Mg, Al, P, Cl? Напишите формулы оксидов и гидроксидов этих элементов в высшей степени окисления. Как изменяются в периоде кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов с увеличением заряда ядра атомов этих элементов? Почему?

42. Как изменяются кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов элементов II А подгруппы периодической системы? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения, доказывающие амфотерность бериллия.

43. Какие степени окисления проявляет марганец? Напишите формулы оксидов и гидроксидов. Как и почему изменяются их кислотно-основные свойства с возрастанием степени окисления марганца? С какими степенями окисления марганца вещество может проявлять а) только окислительные свойства; б) только восстановительные свойства; в) как окислительные, так и восстановительные свойства? Приведите примеры соответствующих веществ.

44. Какие высшие и низшие степени окисления проявляют элементы третьего периода периодической системы: Si, P, S, Cl? Приведите примеры – напишите формулы соответствующих веществ. Как изменяются окислительно-восстановительные свойства простых веществ в этом ряду? Почему?

45. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Укажите характер оксидов. Напишите уравнения реакций, доказывающие амфотерность гидроксида марганца (IV).

46. Почему марганец проявляет металлические свойства, а хлор – неметаллические? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Напишите формулы оксидов и гидроксидов хлора и марганца.

47. Какую низшую и высшую степени окисления проявляет углерод, фосфор, сера, йод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

48. Что называется энергией ионизации и потенциалом ионизации? Как изменяется первый потенциал ионизации в подгруппе с увеличением порядкового номера элемента? Как изменяются восстановительные свойства элементов II A подгруппы от Be к Ra? Приведите обоснованные ответы.

49. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов второго периода (Li, Be, B, C, N) в их высших степенях окисления. Как изменяется в этом ряду кислотно-основной характер гидроксидов? Приведите обоснованный ответ.

50. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, фосфор, сера и хлор? Почему? Приведите примеры соединений этих элементов в высшей и низшей степенях окисления.

51. Какие степени окисления проявляет хром? Напишите формулы его оксидов и гидроксидов. Как и почему изменяются их кислотно-основные свойства с возрастанием степени окисления хрома? Вещества с какими степенями окисления хрома могут проявлять свойства: а) только окислительные; б) только восстановительные; в) как окислительные, так и восстановительные. Приведите примеры соответствующих веществ.

52. Какие высшие степени окисления проявляют элементы четвертого периода периодической системы: Ca, Ga, Ge, As, Se? Напишите формулы оксидов и гидроксидов этих элементов в высшей степени окисления. Как изменяются в этом ряду кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения, доказывающие амфотерность гидроксида галлия.

53. Что называется энергией сродства к электрону и электроотрицательностью? Как изменяется электроотрицательность p-элементов в подгруппе с увеличением порядкового номера элемента? Окислительные свойства какого из элементов – фосфора или сурьмы – выражены сильнее? Приведите обоснованный ответ.

54. Какой из двух сравниваемых элементов обладает более выраженными металлическими свойствами: а) ванадий или мышьяк; б) галлий или мышьяк; в) висмут или мышьяк? Почему?

55. Как изменяются в ряду NH3, PH3, AsH3, SbH3 восстановительная активность и термическая устойчивость соединений? Почему?

56. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют водород, хлор, фтор, кислород, сера? Дайте обоснованный ответ. Определите степени окисления атомов этих элементов в соединениях: CaH2, OF2, HF, H2S, SO3, H2O, Cl2O7.

57. Какой из двух сравниваемых гидроксидов и почему проявляет в большей степени основные свойства: а) CuOH или Cu(OH)2; б) CuOH или KOH; в) Cu(OH)2 или Ca(OH)2?

58. Каковы для s- и p-элементов одного периода тенденции изменения радиуса атомов, энергии ионизации, энергии сродства к электрону, электроотрицательности с увеличением порядкового номера элемента? Как изменяются окислительные и восстановительные свойства элементов третьего периода от натрия к хлору? Почему?

59. Приведите современную формулировку периодического закона. Объясните, почему первопричиной периодичности является заряд атома элемента, а не атомная масса или массовое число.

60. Как изменяется сила кислот в водных растворах галогено-водородов в ряду HF, HCl, HBr, HI? Как изменяются восстановительные свойства анионов в ряду F–, Cl–, Br–, I–? Могут ли эти анионы проявлять окислительные свойства? Приведите обоснованный ответ.

Источник